JP6327189B2

JP6327189B2 - プロセス処理装置

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Publication number: JP6327189B2
Application number: JP2015076573A
Authority: JP
Inventors: 健三科; 猿渡　哲也; 哲也猿渡
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2015-04-03
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2035-04-03
Also published as: JP2016197652A

Description

本発明は、チャンバーの内部からガスを排出する排気装置を有するプロセス処理装置に関する。

処理対象物を格納するチャンバーを備え、チャンバーに所定のガスを導入して処理が行われるプロセス処理装置が使用されている。例えば、成膜工程、エッチング工程、アッシング工程などにおいてプラズマ処理装置が用いられ、成膜装置としてプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置が知られている。プラズマＣＶＤ装置では、原料ガスがチャンバーの内部でプラズマ化され、化学反応によって基板上に薄膜が形成される。プラズマＣＶＤ装置はチャンバーの内部から原料ガスを排出する排気装置を備え、成膜処理中や成膜後のチャンバーの内部の圧力が排気装置によって調整される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−４９２７５号公報

プロセス処理中にチャンバーの内部に供給されたガスは高温になることが多い。このため、排気装置のガスが接する部分にステンレス鋼（ＳＵＳ）などを用いた場合に、ＳＵＳを用いた部分で熱歪みが発生して排気装置が変形することがある。排気装置の変形によって、ガスを排出する空間が不均一になる。例えば、ＣＶＤ装置による基板の成膜処理においてチャンバーの各領域から均一にガスを排出できなくなる。その結果、チャンバーの内部でガス濃度が不均一になり、基板に形成された膜の膜質に面内ばらつきが生じるなどの問題が発生する。

上記問題点に鑑み、本発明は、チャンバーの内部からガスを均一に排出できるプロセス処理装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（ア）排気口が設けられたチャンバーと、（イ）互いに対向する第１主面から第２主面まで厚さ方向に貫通するスリットが形成され且つ第１主面が排気口に対向して配置された第１の排気プレート、及び第２主面に対向するように第１の排気プレートと離間して配置された第２の排気プレートを有し、第１の排気プレート及び第２の排気プレートがカーボンを材料とする排気装置とを備え、排気装置が、第１の排気プレートと第２の排気プレートの間を通過させてチャンバーの内部からガスを外部に排出するプロセス処理装置が提供される。

本発明によれば、チャンバーの内部からガスを均一に排出できるプロセス処理装置を提供できる。

本発明の実施形態に係るプロセス処理装置の構成を示す模式図である。本発明の実施形態に係るプロセス処理装置の排気装置に使用される第１の排気プレートの構造例を示す模式的な平面図である。比較例の排気装置の構成例を示す模式図であり、図３（ａ）は排気プレートに熱歪みが発生する前の状態を示し、図３（ｂ）は熱歪みが発生した後の状態を示す。ＳＵＳとカーボンの特性を示す表である。本発明の実施形態に係るプロセス処理装置に適用される排気プレートのスリットのサイズとスリットコンダクタンスの関係を示す表である。本発明の実施形態に係るプロセス処理装置の排気装置の構造例を示す模式図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態に係るプロセス処理装置１は、図１に示すように、チャンバー１０と、チャンバー１０の内部からガス４００を外部に排出する排気装置２０とを備える。チャンバー１０には排気装置２０に覆われた排気口１１が設けられており、排気口１１を介して排気装置２０がチャンバー１０の内部のガス４００を外部に排出する。

排気装置２０は、それぞれがカーボンを材料とする第１の排気プレート２１と第２の排気プレート２２とを離間して積層させた構造を有する。第１の排気プレート２１には、互いに対向する第１主面２１１から第２主面２１２まで厚さ方向に貫通するスリット２１０が形成されている。そして、第１主面２１１が排気口１１に対向するように、排気装置２０がチャンバー１０に設置されている。第２の排気プレート２２は、第１の排気プレート２１の第２主面２１２に対向して配置されている。なお、以下において第１の排気プレート２１と第２の排気プレート２２を総称して「排気プレート２００」という。

排気装置２０は、第１の排気プレート２１と第２の排気プレート２２の間を通過させて、チャンバー１０の内部からガス４００を外部に排出する。このため、排気装置２０は、第１の排気プレート２１と第２の排気プレート２２との間の空間に連結する排気管２３と、排気管２３に連結する排気ポンプ２４とを備える。排気ポンプ２４によって、第１の排気プレート２１に形成されたスリット２１０を通過したガス４００が、第１の排気プレート２１と第２の排気プレート２２との間の空間及び排気管２３を介して、チャンバー１０の外部に排出される。なお、チャンバー１０の内部の温度を低下させないために、排気プレート２００は遮熱板としても機能する。

図２に示すように、第１の排気プレート２１には、複数のスリット２１０が形成されている。スリット２１０の長さａ、幅ｂ、及び個数などは、チャンバー１０から排出するガス４００の流量や流速などに応じて適宜設定される。

また、第１の排気プレート２１のたわみを防止するために、補強リブ２１３が第１の排気プレート２１の第２主面２１２上に配置されている。図２に示した例では、第１の排気プレート２１の主面の中心部を通過して短手方向に延伸する補強リブ２１３と、主面の対角線に沿って配置された補強リブ２１３によって、第１の排気プレート２１のたわみが防止されている。

図１に例示したプロセス処理装置１は、チャンバー１０の内部に垂直に格納された処理対象の基板１００に膜を形成するプラズマＣＶＤ装置である。即ち、プロセス処理装置１は、チャンバー１０の内部に配置されたカソード電極３０と、チャンバー１０の内部にガス４００を下方から上方に向けて導入するガス供給装置４０と、基板１００とカソード電極３０との間においてガス４００をプラズマ状態にする電源５０とを更に備える。

基板１００を搭載してチャンバー１０の内部に格納される基板ホルダ６０には、図１に例示したような、基板１００が垂直に搭載される複数の搭載プレート６１を有するボートが好適に使用される。垂直方向に延伸する搭載プレート６１と対向するように、複数のカソード電極３０が配置されている。即ち、搭載プレート６１とカソード電極３０とが交互に配列される。図１では搭載プレート６１が４枚である例を示したが、搭載プレート６１の枚数は４枚に限られない。

プロセス処理装置１では、電源５０が基板１００とカソード電極３０との間に電力を供給する。これによりガス４００をプラズマ状態にし、ガス４００に含まれる原料を主成分とする薄膜が基板１００上に形成される。このとき、基板ホルダ６０はアノード電極として使用される。図１に示した例では、基板ホルダ６０は接地されている。

図１に示したチャンバー１０では上面の一部に排気口１１が設けられており、排気装置２０はチャンバー１０の上方に配置されている。排気装置２０によって、チャンバー１０の内部のガス４００がチャンバー１０の上部から外部に排出される。これにより、ガス供給装置４０からチャンバー１０内部に導入されたガス４００が、カソード電極３０の下方から上方に向かってスムーズに流れる。なお、ガス供給装置４０から供給されたガス４００がカソード電極３０の表面に沿って流れるように、基板ホルダ６０の底板６２には、厚さ方向に貫通するガス導入孔（図示略）が形成される。

プロセス処理装置１による成膜工程の例を以下に説明する。まず、基板１００が搭載された基板ホルダ６０がチャンバー１０に格納される。その後、ガス供給装置４０からチャンバー１０内に成膜用の原料ガスを含むガス４００が導入される。チャンバー１０内の圧力は、排気装置２０による排気量の調節によって調整される。チャンバー１０内のガス４００の圧力が所定のガス圧に調整された後、電源５０によって所定の電力がカソード電極３０と基板ホルダ６０間に供給される。これにより、チャンバー１０内のガス４００がプラズマ化される。形成されたプラズマに基板１００を曝すことにより、原料ガスに含まれる原料を主成分とする所望の薄膜が基板１００の露出した表面に形成される。電源５０は例えば交流電源であり、カソード電極３０と基板ホルダ６０間に所定の交流電力を供給する。

プロセス処理装置１では、チャンバー１０の下方から上方に向けて基板１００とカソード電極３０との間にガス４００を導入する。これにより、比重の軽いプラズマ化したガス分子、ラジカル粒子は上方流としてカソード電極３０の主面に沿って流れ上がる。したがって、シャワー電極のような複雑な構造のカソード電極３０を用いなくても、カソード電極３０の主面にガス４００が均一に供給される。

原料ガスを適宜選択することによって、プロセス処理装置１を用いて所望の薄膜を形成できる。例えば、シリコン半導体薄膜、シリコン窒化薄膜、シリコン酸化薄膜、シリコン酸窒化薄膜、カーボン薄膜などを基板１００上に形成することができる。具体的には、シラン（ＳｉＨ₄）ガスとＮ₂Ｏガスの混合ガスを用いて、基板１００上に酸化シリコン（ＳｉＯx）膜が形成される。或いは、アンモニア（ＮＨ₃）ガスとシラン（ＳｉＨ₄）ガスの混合ガスを用いて、基板１００上に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜が形成される。例えば、太陽電池基板の反射防止膜やパッシベーション膜としてＳｉＮ膜をシリコン基板上に形成するために、プロセス処理装置１は好適に使用される。

パッシベーション膜や反射防止膜などを形成する場合、形成された膜の屈折率の面内分布が均一であることが好ましい。しかしながら、排気装置２０のガス４００の接する部分にＳＵＳが使用された場合には、以下に説明するようにチャンバー１０の内部からガス４００を排出する空間が不均一になる。

例えば、図３（ａ）に例示した第１の排気プレート２１Ａ、第２の排気プレート２２Ａ及び第３の排気プレート２３Ａを有する比較例の排気装置２０Ａについて説明する。これらの排気プレートの材料がＳＵＳであるため、プロセス処理中の高温環境下で使用することによって、図３（ｂ）に示すように排気プレートに熱歪みが発生する。例えばプラズマＣＶＤ法により成膜処理では、排出されるガスの温度は４００℃〜５００℃程度である。その結果、図３（ｂ）に示したように、第２の排気プレート２２Ａ及び第３の排気プレート２３Ａに反りが生じる。なお、たわみを防止するための補強リブによって第１の排気プレート２１Ａの反りは抑制されている。

第２の排気プレート２２Ａ及び第３の排気プレート２３Ａに反りが生じた排気装置２０Ａでは、ガスが通過する空間が均一にならない。即ち、中央領域でガスの通過路が狭くなってガスが抜けにくくなる一方、周辺部でガスの通過路が広くなってガスが抜けやすい。その結果、チャンバー１０の内部でガス濃度の分布が不均一になり、処理対象物の特性の面内分布のばらつきが大きくなる。例えば、基板に形成した膜の屈折率の面内分布が不均一になる。

これに対し、図１に示した排気装置２０では、排気プレート２００の材料にカーボンを使用することにより、排気プレート２００の熱歪みを抑制することができる。

図４に、排気プレート２００に使用可能なＳＵＳ３０４とカーボンの特性を比較した結果を示す。サンプル１〜サンプル５は材質の異なるカーボンであり、サンプル１〜サンプル４はＣ／Ｃコンポジット（carbon-carbon composite）材、サンプル５はＣＩＰ材である。図４に示した熱伝導率は厚み方向の値、熱膨張係数は表面に沿った方向の値である。図４に示すように、カーボンの熱膨張係数はＳＵＳ３０４に比べて低い。したがって、排気プレート２００の材料にカーボンを使用することによって、ＳＵＳを使用した場合に比べて排気プレート２００の反りを小さくすることができる。

本発明者らは、第１の排気プレート２１と第２の排気プレート２２の間隔（以下において「排気プレート間隔」という。）が８ｍｍである場合について、プロセス処理後の排気プレート２００の反りについて調査した。排気プレート２００の材料にＳＵＳを使用した場合には、プロセス処理後の排気プレート間隔が０〜１ｍｍ程度に狭くなっていた。これに対し、排気プレート２００の材料にカーボンを使用した場合には、プロセス処理後の排気プレート間隔は８ｍｍのままであった。

また、チャンバー１０の内部の温度が低下しないように排気プレート２００は遮熱板としても機能する。このため、排気プレート２００の熱伝導率は低い方が好ましい。また、応力による反りが小さいためには、ヤング率が高いほうが好ましい。例えば、図４に示したサンプル１〜サンプル５の中で、サンプル２の特性を有するカーボンを排気プレート２００の材料として好適に使用できる。

なお、排気プレート２００を遮熱板としても機能させるためには、排気プレート２００に熱を保持することが必要である。カーボンはＳＵＳに比べて熱容量が小さく、ＳＵＳの熱容量を１としたときのカーボンの熱容量は０．３程度である。このため、排気プレート２００の材料にカーボンを使用する場合には、排気プレート２００の厚みをＳＵＳの場合よりも厚くすることが好ましい。しかし、第１の排気プレート２１を厚くすると、第１の排気プレート２１に形成されたスリット２１０でのガス４００の流れやすさ（以下において、「スリットコンダクタンス」という。）が低下する恐れがある。

図５に、スリット２１０の長さａ（ｍｍ）を一定にしてスリット２１０の幅ｂ（ｍｍ）及び排気プレート２００の厚みｗ（ｍｍ）を変化させた場合のスリットコンダクタンスを示す。図５は、排気プレート２００の材料にＳＵＳを使用した場合とカーボンを使用した場合の検討結果である。カーボンには、図４のサンプル２の特性を有する材料を使用した。図５に示すように、スリット２１０の幅ｂ及び排気プレート２００の厚みｗを適宜設定することによって、排気プレート２００の材料にカーボンを使用した場合において、ＳＵＳと同程度のスリットコンダクタンスを実現できる。これにより、カーボンを排気プレートの材料に使用した排気装置２０において、ＳＵＳを使用した場合と同等の排気能力が得られる。

なお、図６に示すように、第１の排気プレート２１と第２の排気プレート２２は、支柱２５によって連結することができる。支柱２５は、例えばボルトなどによって第１の排気プレート２１と第２の排気プレート２２に固定される。なお、第１の排気プレート２１と第２の排気プレート２２の中央部分を上方から吊り上げるように支持して、排気プレート２００の反りを抑制してもよい。

ところで、処理工程においてチャンバー１０内で生成される物質は、排気装置２０の内部に副生成物として付着しやすい。例えば、プラズマＣＶＤ法による成膜処理では、チャンバー１０の内部でプラズマ化された原料ガスに含まれる薄膜材料が、副生成物として排気プレート２００の表面に付着する。このため、排気プレート２００の表面に付着していた副生成物が排気プレート２００の熱収縮などによって剥離して、基板１００の表面の異物（パーティクル）が増大する。特に排気装置２０がチャンバー１０の上方に配置されている場合には、基板１００の表面にパーティクルが発生しやすい。

このため、第１の排気プレート２１の表面と第２の排気プレート２２の表面をブラスト処理することが好ましい。例えば、排気プレート２００の表面の算術平均粗さＲａが１５〜２０程度になるように、排気プレート２００の表面をブラスト処理する。表面をブラスト処理することによるアンカー効果によって、排気プレート２００の表面に付着した副生成物が剥離することを抑制できる。更に、材料にカーボンを使用することによって、排気プレート２００の熱収縮を抑制できる。このため、例えばチャンバー１０の上方に排気装置２０が配置されている場合にも、チャンバー１０の内部に格納された基板１００の表面でのパーティクル発生が抑制される。排気プレート２００の表面をブラスト処理することによって、表面にパーティクルが発生する基板の割合を７％〜１０％から４％〜７％に低下させることができた。

以上に説明したように、本発明の実施形態に係るプロセス処理装置１によれば、排気装置２０の排気プレート２００の材料にカーボンを使用することによって、排気プレート２００の熱歪みが抑制される。このため、チャンバー１０の内部からガス４００を排気する空間を均一にできる。例えば、プラズマＣＶＤ装置による成膜処理においてチャンバー１０の各領域から均一にガスを排出できる。これにより、チャンバー１０の内部でガス濃度が均一になり、形成された膜の膜質に面内ばらつきが生じることを抑制できる。

本発明者らが図１に示したプラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＮ膜を基板１００に形成する実験を行ったところ、図３（ａ）に例示した排気装置２０Ａを使用した場合には、形成されたＳｉＮ膜の屈折率の面内分布は２．０８〜２．１５であった。これに対し、図１に示した排気装置２０を使用した場合には、形成されたＳｉＮ膜の屈折率の面内分布は２．０９〜２．１１であった。このように、排気装置２０を使用することにより、ばらつきが減少することが確認された。

また、排気プレート２００の熱歪みが抑制されることによって、排気プレート間隔が狭くならず、ガス４００を排出するための排気空間を広く確保できる。これにより、プロセス処理装置１の排気能力を向上させることができる。このため、チャンバー１０の内部に供給するガス４００の流量を増大させたプロセス処理や、チャンバー１０の内部圧力を下げた低圧力プロセス処理が可能となる。したがって、プロセス処理装置１の適用可能なプロセス条件の範囲を拡大することができる。なお、図３（ａ）に示した排気プレートを３枚重ねた比較例と比べて、図１に示した排気装置２０のように排気プレート２００が２枚の方が、全体のサイズの増大を抑制しつつ排気プレート間隔を広くすることができる。したがって、排気装置２０の排気プレート２００の枚数は２枚であることが好ましい。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた実施形態においては、チャンバー１０の上方に排気装置２０が配置された例を示したが、チャンバー１０の下方や側面に排気装置２０が配置されてもよい。即ち、排気装置２０がチャンバー１０のどの位置に配置された場合であっても、チャンバー１０の内部からガス４００を均一に排出できる。また、基板ホルダ６０が基板１００を垂直に搭載するボートタイプである例を示したが、基板ホルダ６０が基板１００を水平に搭載するカートタイプであってもよい。

また、上記ではプロセス処理装置１がプラズマＣＶＤ装置である例を説明した。しかし、プラズマＣＶＤ装置以外の成膜装置やエッチング装置などのプロセス処理装置であっても、プロセス処理中にチャンバー１０の内部からガス４００を排出する機能を有する装置に本発明を適用可能である。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…プロセス処理装置
１０…チャンバー
１１…排気口
２０…排気装置
２１…第１の排気プレート
２２…第２の排気プレート
２３…排気管
２４…排気ポンプ
３０…カソード電極
４０…ガス供給装置
５０…電源
６０…基板ホルダ
１００…基板
２１０…スリット
２１１…第１主面
２１２…第２主面
４００…ガス

Claims

排気口が設けられたチャンバーと、
互いに対向する第１主面から第２主面まで厚さ方向に貫通するスリットが形成され且つ前記第１主面が前記排気口に対向して配置された第１の排気プレート、及び前記第２主面に対向するように前記第１の排気プレートと離間して配置された第２の排気プレートを有し、前記第１の排気プレート及び前記第２の排気プレートがカーボンを材料とする排気装置と
を備え、
前記排気装置が、前記第１の排気プレートと前記第２の排気プレートの間を通過させて前記チャンバーの内部からガスを外部に排出することを特徴とするプロセス処理装置。
前記排気装置が、
前記第１の排気プレートと前記第２の排気プレートとの間の空間に連結する排気管と、
前記排気管に連結する排気ポンプと
を備えることを特徴とする請求項１に記載のプロセス処理装置。
前記第１の排気プレートのたわみを防止する補強リブが、前記第１の排気プレートの前記第２主面に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプロセス処理装置。
前記排気口が前記チャンバーの上面に設けられ、前記排気装置が前記チャンバーの上方に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプロセス処理装置。
前記チャンバーの下方から前記ガスを前記チャンバーの内部に供給するガス供給装置を更に備えることを特徴とする請求項４に記載のプロセス処理装置。
前記第１の排気プレートの表面と前記第２の排気プレートの表面がブラスト処理されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプロセス処理装置。